文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
文章編號： 0258-7998(2012)11-0048-03
隨著便攜式電子產(chǎn)品的飛速發(fā)展，集成電路電源電壓不斷降低，迫使輸入輸出信號擺幅大大減小[1]，嚴(yán)重影響運(yùn)算放大器（以下簡稱運(yùn)放）的工作性能，甚至使其不能正常工作。為了提高運(yùn)放的信噪比，通常需要輸入輸出信號范圍能夠達(dá)到整個電源電壓，即軌對軌(Rail-to-Rail)。Rail-to-Rail運(yùn)放的輸入級通常采用PMOS和NMOS并聯(lián)的互補(bǔ)差分對結(jié)構(gòu),但這種結(jié)構(gòu)會使輸入級跨導(dǎo)在整個共模輸入范圍內(nèi)變化一倍[2]，這不僅會引起環(huán)路增益和單位增益帶寬變化很大,也使頻率補(bǔ)償變得十分困難。因此，要求Rail-to-Rail運(yùn)放的輸入級在整個共模輸入范圍內(nèi)保持恒定的跨導(dǎo)。
本設(shè)計采用3倍電流鏡法[3]控制互補(bǔ)差分對作為輸入級,不但滿足了Rail-to-Rail的共模輸入電壓范圍的要求,而且具有良好的恒跨導(dǎo)特性。運(yùn)放采用浮動電流源控制的前饋式AB類輸出級，在精確控制輸出晶體管電流的同時，滿足了Rail-to-Rail輸出電壓動態(tài)范圍的要求。運(yùn)放采用帶有懸浮電流源結(jié)構(gòu)的折疊共源共柵電路作為中間增益級，除實現(xiàn)電流求和及穩(wěn)定靜態(tài)輸出電流的功能外,還可提高環(huán)路增益。
1 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析
1.1 低壓Rail-to-Rail輸入級
通常，運(yùn)放的輸入級采用匹配性能好、失調(diào)和溫漂均很小的差分放大電路，其典型結(jié)構(gòu)的共模差分輸入變化范圍有兩種，如圖1所示。
在圖1(a)中，對NMOS差分對管(M1、M2)來說，在低共模輸入信號下不能正常工作。其共模輸入電壓范圍為：
可見，當(dāng)共模輸入電平從電源到地變化時，輸入級的跨導(dǎo)gm變化1倍。若將其運(yùn)用于帶有反饋回路的運(yùn)放中，其環(huán)路增益也變化1倍，失真增大[4]；當(dāng)跨導(dǎo)變化1倍，單位增益帶寬將相應(yīng)變化1倍，使得相位裕度減小，運(yùn)放穩(wěn)定性變差；由于運(yùn)放的增益帶寬積與輸入級跨導(dǎo)是成正比的，所以跨導(dǎo)變化也會阻礙頻率補(bǔ)償。因而，輸入級設(shè)計的關(guān)鍵是要使得跨導(dǎo)在整個共模輸入電壓范圍內(nèi)保持恒定。
本文設(shè)計的恒跨導(dǎo)Rail-to-Rail運(yùn)算放大器采用3倍電流鏡法控制互補(bǔ)差分對作為輸入級來實現(xiàn)跨導(dǎo)恒定，其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。M10、M13是兩個電流開關(guān)，分別控制由M11～M12、M14～M15組成的兩個放大倍數(shù)為1:3的電流鏡。由前面分析可知,共模輸入電壓將跨導(dǎo)分為三部分：(1)當(dāng)VONN<Vcm<VONP時，跨導(dǎo)最大，為Vcm在其他區(qū)間時的2倍。由于工作在強(qiáng)反型區(qū)的MOS管跨導(dǎo)與漏電流的平方根成正比，所以，若使兩對MOS管單獨(dú)導(dǎo)通的尾電流為其同時導(dǎo)通時的尾電流的4倍，則整個共模輸入范圍內(nèi)輸入級跨導(dǎo)就會保持恒定。(2)當(dāng)VSS<Vcm<VONN時，只有PMOS差分對管導(dǎo)通，開關(guān)M13閉合，尾電流被M13引到由M14～M15組成的1:3的電流鏡，此時尾電流是原來的4倍。(3)當(dāng)VONP<Vcm<VCC時，只有NMOS差分對管導(dǎo)通，此時尾電流為原來的4倍。只有當(dāng)VONN<Vcm<VONP時，開關(guān)M10和M13都斷開，兩個差分對都導(dǎo)通，就實現(xiàn)了輸入級跨導(dǎo)在Rail-to-Rail的共模輸入范圍內(nèi)恒定。
1.3 前饋式AB類Rail-to-Rail輸出級
Rail-to-Rail運(yùn)放的輸出級一般采用具有較高轉(zhuǎn)換效率的AB類輸出結(jié)構(gòu)。在低壓設(shè)計中，常采用前饋式AB類輸出級和反饋式AB類輸出級[4]兩種結(jié)構(gòu)。由于前饋式AB類輸出級晶體管輸出電流易于控制，而且電路結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好，所以本文采用浮動電流源控制的前饋式AB類輸出級電路，結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3中，M36、M37為輸出晶體管，M26、M27構(gòu)成AB類控制電路，M26、M30、M31、M37以及M27、M34、M35、M36構(gòu)成兩個線性回路，控制輸出管的靜態(tài)電流[5]。M36、M37的柵極電壓受AB類控制電路M26、M27控制，在降低柵極間電壓對電源、工藝的敏感性的同時，大大地減小了電路面積。從圖中可以得出：
為了保證輸出靜態(tài)電流不受共模輸入電壓的影響，加入浮動電流源M24、M25，它與AB類控制電路具有相同結(jié)構(gòu)，不但補(bǔ)償了AB類控制電路對電源電壓的依賴性，而且也提高了電路的電源抑制比。
2 整體電路及仿真結(jié)果
本文設(shè)計的3.3 V恒跨導(dǎo)Rail-to-Rail CMOS運(yùn)算放大器的整體電路如圖4所示。
本文基于SMIC 0.18 μm工藝模型，在3.3 V的電源電壓下，對設(shè)計的運(yùn)算放大器進(jìn)行了仿真驗證。圖5為運(yùn)放的幅頻與相頻特性曲線,負(fù)載電阻為5 kΩ，電容為5 pF，直流增益為120 dB，單位增益帶寬為5.98 MHz，相位裕度為66°。
本文基于SMIC 0.18 μm工藝模型，設(shè)計了一種低壓、恒跨導(dǎo)、Rail-to-Rail運(yùn)算放大器，其輸入級采用3倍電流鏡技術(shù)來使輸入級跨導(dǎo)恒定；輸出級采用前饋式AB類輸出結(jié)構(gòu)，在精確控制輸出晶體管電流的同時使輸出電壓范圍達(dá)到Rail-to-Rail全擺幅。仿真結(jié)果表明,輸入級總跨導(dǎo)在整個共模輸入電壓范圍內(nèi)變化率僅為2.45%，直流增益為120 dB，電源抑制比為97.7 dB，共模抑制比為101.2 dB，單位增益帶寬為5.98MHz，靜態(tài)功耗僅為0.18 mW。在3.3 V電源電壓下,該運(yùn)算放大器輸入輸出達(dá)到Rail-to-Rail全擺幅，有較高的直流開環(huán)增益、電源抑制比和共模抑制比，并具有良好的恒跨導(dǎo)特性和較低的功耗。該運(yùn)算放大器可以廣泛應(yīng)用于手機(jī)、PDA等以電池供電的便攜式電子產(chǎn)品中。
參考文獻(xiàn)
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